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Funktionsweise der Brennstoffzellen-Heizung: neue Technik, alte Idee, viele Vorteile

Brennstoffzellen-Heizungen erzeugen nicht nur Wärme, sondern gleichzeitig jede Menge Strom. Das macht die Technik extrem energieeffizient. Gleichzeitig sind Brennstoffzellen-Heizungen schadstoffarm und leise. Die Energie entsteht durch die Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff – statt Qualm und Ruß kommt vor allem Wasserdampf aus dem Schornstein.

Heizungslabel auf Heizkörper(c) by-studio/Fotolia.com(c) Callux / EnBW

Brennstoffzellen-Heizungen sind die effizienteste Art, eine Wohnung oder ein Haus zu heizen und gleichzeitig Strom zu erzeugen. Brennstoffzellen arbeiten mit Wasserstoff. Reinen Wasserstoff kann man jedoch noch nicht beim Brennstoffhändler kaufen. Außerdem müsste er im Haus in teuren Drucktanks gespeichert werden. Darum erzeugt die Brennstoffzellen-Heizung ihren Wasserstoff selbst: aus Erdgas.

Funktionsprinzip der Brennstoffzellen-Heizung

In einem sogenannten Reformer wird das Erdgas mit Wasserdampf gemischt. Dabei entstehen Kohlenmonoxid (später Kohlendioxid) und Wasserstoff. In der Brennstoffzelle reagiert dieser Wasserstoff dann zusammen mit Sauerstoff (aus der Luft) zu Wasser. Dabei entstehen Strom und Wärme – ein einfaches und sehr effizientes Funktionsprinzip.

Die Entscheidung für Solarthermie – ob zur Heizungsunterstützung oder für die Warmwasserbereitung – will gut überlegt sein. Manchmal muss dann auch erst der Familienrat tagen, wie bei Familie Hein aus Berlin.

Bevor sich Hausbesitzer für die Installation von Solarthermie entscheiden, sollten sie sich auf jeden Fall fachkundig und unabhängig beraten lassen. Dafür sind Energieberater die richtige Adresse.

Bei Familie Mönkemeyer wird der alte Heizkessel durch ein neues Gas-Brennwertgerät ersetzt. Beim Einbau der Anlage müssen die Handwerker viele Kabel richtig anschließen.

Bei Familie Kniehase wird ein 200 Kilogramm schwerer Pufferspeicher eingebaut, um die Wärmeenergie zu speichern. So kann warmes Wasser auch an Tagen genutzt werden, an denen die Anlage nur wenig Energie liefert.

Hoher Wirkungsgrad von Brennstoffzellen

Die direkte Energieumwandlung macht Brennstoffzellen-Heizungen effizienter als herkömmliche Blockheizkraftwerke (BHKW), die Strom und Wärme durch die Verbrennung von Gas in abgewandelten Automotoren erzeugen. Erdgas-BHKWs sind effiziente Geräte und waren lange die ökologisch beste Wahl für die Hauswärme- und Stromerzeugung. Doch damit BHKWs Energie erzeugen, muss zunächst ein Motor einen Generator antreiben. Das ist zwar ein bewährter, aber auch sehr ineffizienter Prozess.

Bei Brennstoffzellen erübrigt sich dieser Umweg: Sie gewinnen Energie ganz ohne Verbrennung, nur mithilfe einer elektrochemischen Reaktion. Und sie erzeugen im Vergleich einen höheren Stromanteil. Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen-Heizungen liegt bei über 30 Prozent. Ihr Gesamtwirkungsgrad erreicht nahezu 100 Prozent. So wird fast der gesamte Energiegehalt des Erdgases genutzt. Herkömmliche BHKWs haben dagegen Wirkungsgrade von 80 bis 90 Prozent.

Brennstoffzellen-Heizung: weniger Verschleiß, längere Lebensdauer

Die elektrochemische Energieumwandlung hat weitere Vorteile gegenüber der Verbrennung: Da hier keine mechanischen Teile in Bewegung gehalten werden, gibt es weniger Verschleißteile. Das sorgt für einen geringeren Wartungsaufwand und lässt eine längere Lebensdauer von Brennstoffzellen-Heizungen erwarten. Einzelne Bauteile (Zellenstapel oder „Stacks“) müssen jedoch nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden. Das geschieht in der Regel im Rahmen des zehnjährigen Wartungsvertrags, also innerhalb dieses Zeitraums ohne Mehrkosten.

Der Platzbedarf von Brennstoffzellen-Heizungen ist bei Geräten für Ein- und Zweifamilienhäusern mit oft nur einem Quadratmeter niedrig. Außerdem entstehen keine lauten Betriebsgeräusche. Darum lassen sich Brennstoffzellen-Heizungen im Prinzip auch direkt in der Wohnung aufstellen. Entsprechende Geräte sehen aus wie ein großer Kühlschrank; der Platz im Keller würde damit frei.

Weniger Emissionen durch Brennstoffzellen-Heizungen

Brennstoffzellen-Heizungen arbeiten noch schadstoffärmer als andere verbreitete Lösungen: Sie emittieren beispielsweise bis zu 50 Prozent weniger CO2 als Gas-Brennwertgeräte. Dass Brennstoffzellen-Heizungen CO2-Emissionen ausstoßen, rührt daher, dass auch bei diesem Prozess der fossile Brennstoff Erdgas eingesetzt wird.

Die Klimabilanz von Brennstoffzellen-Heizungen lässt sich mit Biogas (auch „Ökogas“ genannt) noch weiter verbessern. Am besten wäre es natürlich, Wasserstoff einzukaufen, der direkt aus erneuerbarem Strom produziert wurde. Noch ist die Wasserstoff-Wirtschaft über erste zaghafte Ansätze wie das Windgas-Angebot von Greenpeace nicht hinausgekommen. Doch in Zukunft könnte Wasserstoff mit Hilfe von überschüssigem Strom aus Windkraft oder Photovoltaik in großen Mengen zur Verfügung stehen.

Brennstoffzellen + Gas-Brennwertkessel = Brennstoffzellen-Heizung

Die Brennstoffzellen decken außerdem nur den Grundbedarf an Wärme und Strom. Für den Wärmebedarf, der darüber hinausgeht, gibt es einen integrierten Gas-Brennwertkessel. Bei zusätzlichem Strombedarf kommen das öffentliche Stromnetz oder andere Quellen wie Photovoltaikanlagen ins Spiel.

Geschichte der Brennstoffzellen-Heizung und ihrer Technik

Die Idee der Brennstoffzelle ist schon fast 180 Jahre alt. Wenn man Strom durch Wasser leitet (die sogenannte Elektrolyse), wird Wasser (H2O) in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zerlegt. Der britische Physiker und Jurist Sir William Grove hat früh herausgefunden, dass sich dieser Prozess auch umkehren lässt. Bereits 1839 präsentierte er eine „galvanische Gasbatterie“, die durch die „kalte Verbrennung“ von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugte.

Spätestens seit den 1990er-Jahren wurden Brennstoffzellen angesichts des sich abzeichnenden Klimawandels dann auch für die Energiewirtschaft interessant. Doch der chemisch einfache Prozess ist technisch aufwändig und teuer. Probleme mit der Technik und hohe Kosten haben die Technologie lange ausgebremst. Inzwischen ist der Entwicklungsstand von Brennstoffzellen-Heizungen ein anderer. Zwischen 2008 und 2016 kamen fast 500 Geräte in einem Praxistest („Callux-Projekt“) in Eigenheimen auf den Prüfstand und wurden so für die breite Markteinführung vorbereitet. Nun bieten die großen Heizungsbauer die Geräte für Jedermann an.

Autoren: Kristina Simons und Marcus Franken

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